JP7339779B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関するものである。

従来からデジタルカメラなどの撮像装置においては、撮像素子として、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサが広く使用されている。これらの撮像素子は、露光期間中に入射した光をフォトダイオードにより電荷に変換して蓄積し、電圧あるいは電流のアナログ信号として出力する。そして、このアナログの出力信号は、後段においてデジタル信号に変換されるのが一般的である。

こうしたＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子では、通常、光電変換した信号に読み出し回路に起因する読み出しノイズが重畳される。この読み出しノイズは入射光量に依存しないため、入射光量が微小な低照度環境などにおいては相対的にノイズ量が多くなり、入射光量に対する出力信号の線形性が悪化する。

この問題を解決するために、特許文献１には、画素ソースフォロワの代わりに利得の高いソース接地回路を画素に配置することにより、読み出し回路に起因する読み出しノイズの影響を抑制する技術が開示されている。

一方、近年、露光期間中にフォトダイオードに入射したフォトンを計数し、その計数値を信号値として用いるフォトンカウンティング方式の撮像素子が提案されている。フォトンカウンティングを実現する方法として、例えばアバランシェフォトダイオードとカウンタ回路を用いる方法がある。

アバランシェフォトダイオードに降伏電圧より大きい逆バイアス電圧を印加すると、単一光子の入射による生成キャリアがアバランシェ増倍を起こし、大電流が発生する。この電流に基づいて生成したパルスをカウンタ回路で計数することにより、入射した光子数に応じた信号値を得ることができる。

フォトンカウンティング方式の撮像素子は、入射した光子数をそのまま信号値として扱うことができるため、回路のノイズによる信号への影響が少なく、単位時間における入射光量が微小な低照度環境などにおいても鮮明な画像を得ることができる。

一方で、フォトンカウンティング方式の撮像素子では、単位時間における入射光量の多い高照度環境などで上記のパルス幅以下の短い周期で光子が入射した場合、複数のパルスが結合してしまうことがある。この場合、カウンタ回路が計数する計数値は、入射した光子数に対して低下してしまい、入射光量に対する線形性が悪化してしまう。

この問題を解決するために、特許文献２には、フォトンカウンティング方式の光検出器において、複数のアバランシェフォトダイオードから得られるパルスを加算することにより、入射光量の増加に対して単調増加する出力を得る構成が開示されている。

特開２０１６－１９１１５号公報 特開２０１４－８１２５３号公報

しかしながら、特許文献１でも述べられているように、さらなる低ノイズ化を実現するためには、特許文献１の構成に加え、読み出し回路に帯域制限を設ける、複数回のＡＤ変換を行うなどの対策が必要である。

また、特許文献２の構成では、複数のアバランシェフォトダイオードの出力を加算するため、同一チップサイズにおいて得られる出力画素数が低下してしまう。加えて、単一のアバランシェフォトダイオードに上記のパルス幅以下の短い周期で光子が入射した場合には、やはり正しい出力を得ることができない。そのため受光量に対する出力の線形性を十分に改善することができなかった。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、入射光量に対する出力信号の線形性を向上させることができる撮像装置を提供することである。

本発明に係わる撮像装置は、入射した光子を計数することにより画素信号を生成する第１の動作と、入射した光を電荷に変換して蓄積することにより画素信号を生成する第２の動作とを選択的に実行可能な複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれに、前記第１の動作と前記第２の動作のいずれを実行させるかを切り替える切り替え手段と、を備え、前記複数の画素のうちのそれぞれの画素には、前記第１の動作を行う場合に動作する第１の回路と、前記第２の動作を行う場合に動作する第２の回路と、前記第１の回路または前記第２の回路の出力をカウントするカウンタとが配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、入射光量に対する出力信号の線形性を向上させることができる撮像装置を提供することが可能となる。

本発明の撮像装置の第１の実施形態であるデジタルカメラの構成を示すブロック図。 第１の実施形態における撮像素子の全体構成を示す図。 第１の実施形態における単位画素の構成を示す図。 第１の実施形態におけるＳＰＡＤモードの動作タイミングを示す図。 第１の実施形態における蓄積モードの動作タイミングを示す図。 第２の実施形態における撮像素子の全体構成を示す図。 第２の実施形態における単位画素の構成を示す図。 照度判定をＳＰＡＤモードで行う場合の、低照度画素の動作タイミングを示す図。 照度判定をＳＰＡＤモードで行う場合の、高照度画素の動作タイミングを示す図。 照度判定を蓄積モードで行う場合の、低照度画素の動作タイミングを示す図。 照度判定を蓄積モードで行う場合の、高照度画素の動作タイミングを示す図。 第２の実施形態の第１の変形例の撮像素子の一部を示す図。 第２の実施形態の第２の変形例の単位画素の構成を示す図。 第３の実施形態における撮像素子の全体構成を示す図。 第３の実施形態における単位画素の構成を示す図。 第３の実施形態における光電変換部のＡ－Ａ’における電位図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の撮像装置の第１の実施形態であるデジタルカメラ１００の構成を示すブロック図である。

図１において、レンズ部１０１は、被写体の光学像を撮像素子１０５に結像させる。レンズ部１０１は、ズームレンズ、フォーカスレンズ、絞り機構などを備え、レンズ駆動装置１０２によって駆動され、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。メカニカルシャッタ（以下、シャッタ）１０３は、シャッタ駆動装置１０４によって駆動される。撮像素子１０５は、レンズ部１０１により結像された被写体像を光電変換して画像信号（画素信号）を生成する。

信号処理回路１０６は、撮像素子１０５から出力される画像信号に対して、ゲインアップのためのデジタルゲイン処理、各種補正処理、データ圧縮処理などを行う。メモリ部１０７は、画像データを一時的に記憶する。制御部１０８は、各種演算を行うとともに、デジタルカメラ１００の全体を制御する。Ｉ／Ｆ部１０９は、記録媒体１１０に画像データを記録、または記録媒体１１０から画像データを読み出すためのインターフェースである。記録媒体１１０は、画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。表示部１１１は、各種情報や撮影画像を表示する。

次に、上記のように構成されるデジタルカメラ１００における撮影時の動作について説明する。メイン電源がＯＮされると、制御部１０８の電源がＯＮされ、更に信号処理回路１０６などの撮像系回路の電源がＯＮされる。

不図示のレリーズボタンが押されると、撮影動作が開始される。撮像素子１０５の露光動作が終了すると、撮像素子１０５から出力された画像信号は、信号処理回路１０６において補正処理や画像処理が行われ、制御部１０８の指示によりメモリ部１０７に書き込まれる。メモリ部１０７に記憶されたデータは、制御部１０８の制御により、Ｉ／Ｆ部１０９を介して記録媒体１１１に記録される。また、不図示の外部Ｉ／Ｆ部を介して直接コンピュータ等に入力し、画像の加工を行ってもよい。

図２は、撮像素子１０５の全体構成を示す図である。撮像素子１０５は、画素領域２００、垂直制御回路２０２、水平制御回路２０３、タイミングジェネレータ（以下、ＴＧ）２０４、スイッチ２０５、スイッチ２０６、デジタル出力部２０７、駆動制御回路２０８を備えて構成される。

画素領域２００には、単位画素２０１が行列状に配置されている。ここでは、説明を分かりやすくするために４×４画素の配列を示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置される。単位画素２０１は、駆動制御回路２０８によって制御され、第１の駆動モード(以下、ＳＰＡＤモード)と第２の駆動モード(以下、蓄積モード)のいずれかの駆動モードを選択的に実行可能である。

ＳＰＡＤモードでは、単位画素２０１は、入射したフォトンの数を計数してデジタルの信号値として出力する。また、蓄積モードでは、単位画素２０１は、入射したフォトンを電荷に変換して蓄積し、ＡＤ変換を行うことによりデジタル信号値として出力する。この動作の詳細については、図４、図５を用いて後述する。

なお、第１の駆動モードは、第２の駆動モードに比較して、低照度時での入射光量に対する出力信号の線形性がよく、第２の駆動モードは、第１の駆動モードに比較して、高照度時での入射光量に対する出力信号の線形性がよい。

垂直制御回路２０２は、画素領域２００の画素行毎に制御信号を送出することによりスイッチ２０５をＯＮ／ＯＦＦし、画素領域２００に配置された画素の中から信号を読み出す画素を１行単位で選択する。

水平制御回路２０３は、画素領域２００の画素列毎にスイッチ２０６をＯＮ／ＯＦＦし、画素領域２００から列信号線に読み出された画素の信号を１列単位で選択する。垂直制御回路２０２と水平制御回路２０３により選択された画素の信号はデジタル出力部２０７に読み出される。デジタル出力部２０７は、選択された画素の信号を撮像素子１０５の外部に出力する。

ＴＧ２０４は、垂直制御回路２０２および水平制御回路２０３の各々にタイミング制御信号を送出する。なお、ＴＧ２０４は、デジタル出力部２０７にもタイミング制御信号を送出する。

図３は、単位画素２０１の構成を示す図である。単位画素２０１は、ＳＰＡＤモード回路部３０１、蓄積モード回路部３０２、フォトダイオード３０３、クロック切り替え部３０７、イネーブル切り替え部３０８、カウンタ３１３を備える。

ＳＰＡＤモード回路部３０１は、クエンチ抵抗３０４、スイッチ３０５、反転バッファ３０６を備える。蓄積モード回路部３０２は、リセットスイッチ３０９、スイッチ３１０、転送スイッチ３１１、コンパレータ３１２を備える。

ここで図４、図５を参照して、単位画素２０１の動作について説明する。

＜ＳＰＡＤモード＞
図４は、ＳＰＡＤモードにおける単位画素２０１の動作を示した図である。ＳＰＡＤモードでは、駆動制御回路２０８から駆動モード制御信号ＭＣＳがローレベル（以下、Ｌレベル）で出力されることにより、スイッチ３０５がＯＮとなりＳＰＡＤモード回路部３０１が有効となる。また、駆動モード制御信号ＭＣＳにより、クロック切り替え部３０７は反転バッファ３０６の出力ＰＬＳを出力し、イネーブル切り替え部３０８は信号ＥＮを出力するよう設定される。

このときフォトダイオード３０３には、クエンチ抵抗３０４を介して降伏電圧より大きな逆バイアス電圧ＶＤＤSPADが印加され、ガイガーモードで動作する。一方、スイッチ３１０がＯＦＦとなるため、蓄積モード回路部３０２は動作しない。

図４の時刻Ｔ１において、信号ＲＳのＬレベルがカウンタ３１３に入力され、カウンタ３１３が保持していたカウント値がリセットされる。時刻Ｔ２において、信号ＥＮのハイレベル（以下、Ｈレベル）がカウンタ３１３に入力され、カウンタ３１３がカウント動作を開始することにより露光期間が開始される。

時刻Ｔ３において、フォトダイオード３０３にフォトンが入射し、アバランシェ増倍現象を引き起こし、アバランシェ電流が発生する。このアバランシェ電流により、クエンチ抵抗３０４に接続されたフォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔが低下し始め、降伏電圧を下回るとアバランシェ増倍現象が停止する。そして、逆バイアス電圧ＶＤＤSPADを印加している電源からクエンチ抵抗３０４を介して再充電が行われるため、フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔは上昇し始め、時刻Ｔ４において再充電が完了する。

反転バッファ３０６は、フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔが閾値を下回る際にＬレベル→Ｈレベル、閾値を上回る際にＨレベル→Ｌレベルと出力を変化させるため、反転バッファ３０６の出力ＰＬＳは図４に示すようにパルス状になる。カウンタ３１３は入力された反転バッファ３０６のパルス状の出力ＰＬＳをカウントする。

この後、フォトダイオード３０３にフォトンが入射するたびに、時刻Ｔ３～Ｔ４の動作を繰り返す。時刻Ｔ５において信号ＥＮのＬレベルがカウンタ３１３に入力されることにより、カウンタ３１３がカウント動作を停止し、露光期間が終了する。

＜蓄積モード＞
図５は、蓄積モードにおける単位画素２０１の動作を示した図である。蓄積モードでは、駆動制御回路２０８から駆動モード制御信号ＭＣＳがＨレベルで出力されることにより、スイッチ３１０がＯＮとなり蓄積モード回路部３０２が有効となる。また、駆動モード制御信号ＭＣＳにより、クロック切り替え部３０７はクロック信号ＣＬＫを出力し、イネーブル切り替え部３０８はコンパレータ３１２の出力ＣＯＭＰを出力するよう設定される。一方、スイッチ３０５がＯＦＦとなるため、ＳＰＡＤモード回路部３０１は動作しない。

図５の時刻Ｔ１において、信号ＲＳのＬレベルがカウンタ３１３に入力され、カウンタ３１３が保持していたカウント値がリセットされる。また、信号ＴｘをＨレベル、信号ＲＥＳをＬレベルにすることで、フォトダイオード３０３がバイアス電圧ＶＤＤACCに接続され、コンパレータ入力電圧Ｖfdとともにリセットされる。

時刻Ｔ２において、信号ＲＥＳがＨレベルになることにより、露光期間が開始される。時刻Ｔ３において信号ＴＸがＨレベルになることにより、フォトダイオード３０３に蓄積されていた電荷がコンパレータ３１２の反転ノードに転送され、コンパレータ３１２の入力電圧Ｖfdが転送された電荷に応じた電圧になる。

この際、コンパレータ３１２の入力電圧Ｖfdの変化により、コンパレータ３１２の出力信号ＣＯＭＰがＨレベルになり、カウンタ３１３がカウント動作可能な状態になるが、信号ＲＳがＬレベルのため、カウントは実行されない。

時刻Ｔ４において、参照信号ＲＡＭＰがコンパレータ３１２に入力され、参照信号が一定の傾きを以て下降することにより、電圧Ｖfdとの比較が開始される。また、信号ＲＳがＨレベルになることにより、カウンタ３１３がカウント動作を開始する。時刻Ｔ５において参照信号ＲＡＭＰが電圧Ｖfdを下回ることにより、コンパレータ３１２の出力信号ＣＯＭＰがＬレベルとなり、カウンタ３１３がカウント動作を停止する。

ＳＰＡＤモード、蓄積モード共に、カウンタの動作終了後、垂直制御回路２０２と水平制御回路２０３によるスイッチ２０５とスイッチ２０６のＯＮ／ＯＦＦにより、１行１列ごとに単位画素２０１のカウント値がデジタル出力部２０７へと出力される。

以上説明したように、駆動制御回路２０８により、画素領域２００に配置された単位画素２０１の駆動モードを、ＳＰＡＤモードと蓄積モードとに切り替えることができる。本実施形態では、駆動制御回路２０８が画素領域２００に配置された全ての単位画素２０１を一括制御しているため、画素領域２００全体が共通の駆動モードとなる。

そして、入射光量に応じて、画素領域２００の駆動モードを、ＳＰＡＤモードと蓄積モードとに切り替えることにより、入射光量と出力信号の線形性を改善することが可能となる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、単位画素２０１の動作モードを、画素領域２００全体について共通に切り替えていたが、本実施形態では、各々の単位画素が自身に入射する光量に応じて動作モードを別々に切り替える構成について説明する。

図６は、第２の実施形態における撮像素子１０５の全体構成を示す図である。撮像素子１０５は、画素領域６００、垂直制御回路６０２、水平制御回路６０３、タイミングジェネレータ（以下、ＴＧ）６０４、スイッチ６０５、スイッチ６０６、デジタル出力部６０７を備えて構成されている。第１の実施形態の撮像素子１０５と比較して、駆動制御回路２０８が存在しない点が異なる。駆動制御回路２０８が介在しない動作については第１の実施形態と同様である。なお、画素領域６００には、単位画素６０１が行列状に配置されている。

図７は、単位画素６０１の構成を示す図である。単位画素６０１は、ＳＰＡＤモード回路部７０１、蓄積モード回路部７０２、フォトダイオード７０３、クロック切り替え部７０７、イネーブル切り替え部７０８、カウンタ７１３、駆動制御部７１４を備える。

ＳＰＡＤモード回路部７０１は、クエンチ抵抗７０４、スイッチ７０５、反転バッファ７０６を備える。蓄積モード回路部７０２は、リセットスイッチ７０９、スイッチ７１０、転送スイッチ７１１、コンパレータ７１２を備える。

駆動制御部７１４は、カウンタ７１３のカウント値を所定の閾値と比較する。そして、カウント値が所定の閾値未満であれば入射光量が少ないため、駆動制御部７１４はＬレベルの信号ＭＣＳを出力し、単位画素６０１をＳＰＡＤモードで駆動させる。また、カウント値が所定の閾値以上であれば入射光量が多いため、駆動制御部７１４はＨレベルの信号ＭＣＳを出力し、単位画素６０１を蓄積モードで動作させる。

ここで図８～図１１を参照して、単位画素６０１の動作について説明する。図８、図９は、ＳＰＡＤモードで入射光量を判定することにより、ＳＰＡＤモードと蓄積モードの切り替えを行う動作を示す図である。

＜ＳＰＡＤモード判定・低照度時＞
図８は、入射光量が少ない場合における単位画素６０１の動作を示している。図８の時刻Ｔ１～Ｔ４の動作は、第１の実施形態で示した図４の時刻Ｔ１～Ｔ４の動作と同様である。時刻Ｔ５において、駆動制御部７１４はカウンタ７１３のカウント値を所定の閾値と比較する。

判定の結果、カウント値が所定の閾値未満であるので、駆動制御部７１４は出力信号ＭＣＳをＬレベルに維持し、ＳＰＡＤモード回路部７０１が有効のままとする。時刻Ｔ６に至るまで時刻Ｔ３～Ｔ４の動作を繰り返す。時刻Ｔ６において信号ＥＮのＬレベルがカウンタ７１３に入力されることにより、カウンタ７１３がカウント動作を停止し、露光期間が終了する。

＜ＳＰＡＤモード判定・高照度時＞
図９は、入射光量が多い場合における単位画素６０１の動作を示している。図９の時刻Ｔ１～Ｔ５の動作は、第１の実施形態で示した図４の時刻Ｔ１～Ｔ５の動作と同様である。時刻Ｔ６において、駆動制御部７１４がカウンタ７１３のカウント値を所定の閾値と比較する。判定の結果、閾値以上であるので、駆動制御部７１４は出力信号ＭＣＳをＨレベルにすることにより、蓄積モード回路部７０２を有効にする。図９の以降の時刻Ｔ６～Ｔ１０の動作は第１の実施形態で示した図５の時刻Ｔ１～Ｔ５の動作と同様である。

次に、図１０、図１１は蓄積モードで入射光量を判定することにより、ＳＰＡＤモードと蓄積モードの切り替えを行う動作を示す図である。

＜蓄積モード判定・低照度時＞
図１０は、入射光量が少ない場合における単位画素６０１の動作を示している。図１０の時刻Ｔ１～Ｔ５の動作は、第１の実施形態で示した図５の時刻Ｔ１～Ｔ５の動作と同様である。時刻Ｔ６において、信号ＴｘをＨレベル、信号ＲＥＳをＬレベルにすることにより、フォトダイオード３０３がバイアス電圧ＶＤＤACCに接続され、コンパレータ入力電圧Ｖfdとともにリセットされる。

時刻Ｔ７において、駆動制御部７１４がカウンタ７１３のカウント値を所定の閾値と比較する。判定の結果、カウント値が所定の閾値未満であるので、駆動制御部７１４は出力信号ＭＣＳをＬレベルにすることにより、ＳＰＡＤモード回路部７０１を有効にする。図１０の時刻Ｔ８～Ｔ１２の動作は、第１の実施形態で示した図４の時刻Ｔ１～Ｔ５の動作と同様である。

＜蓄積モード判定・高照度時＞
図１１は、入射光量が少ない場合における単位画素６０１の動作を示している。図１１の時刻Ｔ１～Ｔ５の動作は、第１の実施形態で示した図５の時刻Ｔ１～Ｔ５の動作と同様である。時刻Ｔ６において、信号ＴｘをＨレベル、信号ＲＥＳをＬレベルにすることにより、フォトダイオード３０３がバイアス電圧ＶＤＤACCに接続されコンパレータ入力電圧Ｖfdとともにリセットされる。

時刻Ｔ７において、駆動制御部７１４がカウンタ７１３のカウント値を所定の閾値と比較する。判定の結果、カウント値が所定の閾値以上であるので、駆動制御部７１４は出力信号ＭＣＳをＨレベルに維持し、蓄積モード回路部７０２が有効のままとする。時刻Ｔ８～Ｔ１２は時刻Ｔ１～Ｔ５と同様の動作である。

全てのモードにおいて、カウンタの動作終了後、垂直制御回路６０２と水平制御回路６０３によるスイッチ６０５とスイッチ６０６のＯＮ／ＯＦＦにより、１行１列ごとに単位画素６０１のカウント値がデジタル出力部６０７へと出力される。

なお、蓄積モードでは、露光期間終了後、コンパレータ７１２によりフォトダイオード７０３に蓄積された電荷に応じた電圧を参照信号ＲＡＭＰと比較することで、単位画素６０１のデジタル出力を得る。一方、ＳＰＡＤモードでは露光期間終了時にカウンタ７１３が保持している値が単位画素６０１のデジタル出力値である。このため、蓄積モードの単位画素６０１の比較期間の間に、ＳＰＡＤモードの単位画素６０１の読み出しを先に行うことにより、読み出し時間を短縮してもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、各々の単位画素６０１が自身に入射する光量に応じて動作モードを切り替えることが可能となる。

なお、ＳＰＡＤモードで入射光量の判定を行った場合、低照度の単位画素６０１と高照度の単位画素６０１で実効的な露光期間が異なる。この場合、低照度の単位画素６０１の判定時にカウンタ７１３をリセットし、判定期間を露光期間から除外してもよい。もしくは、高照度の単位画素６０１の出力を判定期間と実効的な露光期間（蓄積期間）の比で補正してもよい。

本実施形態の第１の変形例として、複数の単位画素６０１で共通の動作モードをとることが考えられる。図１２に示すように、図７において各々の単位画素６０１に存在していた駆動制御部７１４を複数の単位画素で共有してもよい。図１２では、駆動制御部１２０２を共有している４つの単位画素１２０１が同一の動作モードをとる。
このとき駆動制御部１２０２は、共有している４つの単位画素１２０１の出力を図示しない加算器等で加算、平均した結果を所定の閾値と比較してもよい。また、共有している４つの単位画素１２０１の出力の各々を所定の閾値と比較し、所定の閾値以上の単位画素１２０１と所定の閾値未満の単位画素１２０１の数の大小関係により駆動モードを決定してもよい。

また、ＳＰＡＤモードと蓄積モードの駆動モードの切り替えを蓄積モードで判定する場合の第２の変形例を図１３に示す。図７と異なる点は、コンパレータ７１２の出力信号ＣＯＭＰがカウンタ７１３に加えて、駆動制御部７１４にも入力されている点である。また、図示していないが、図１０、図１１の時刻Ｔ４でコンパレータ７１２に入力される参照信号ＲＡＭＰに代わり、閾値電圧を入力する。

コンパレータ７１２の出力信号ＣＯＭＰは、コンパレータ入力電圧Ｖfdが閾値電圧を超えなければ低照度と判定してＬレベルを出力し、閾値電圧を超えれば高照度と判定してＨレベルを出力する。そして、駆動制御部７１４は、これに基づいて駆動モードを制御する。第２の実施形態の蓄積モードで入射光量を判定する場合に比べ、本変形例では入射光量の判定が即時に終わる。

（第３の実施形態）
図１４は、第３の実施形態における撮像素子１０５の全体構成を示す図である。撮像素子１０５は、画素領域１４００、垂直制御回路１４０２、水平制御回路１４０３、タイミングジェネレータ（以下、ＴＧ）１４０４、スイッチ１４０５、スイッチ１４０６、デジタル出力部１４０７、駆動電圧制御回路１４０８を備えて構成される。

画素領域１４００には、単位画素１４０１が行列状に配置されている。ここでは、説明を分かりやすくするために４×４画素の配列を示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置される。単位画素１４０１は、駆動電圧制御回路１４０８から供給される電圧を使用しない場合ＳＰＡＤモードで動作し、使用する場合蓄積モードで動作する。

第１及び第２の実施形態では、単位画素２０１，６０１の各々は１個のフォトダイオードを備え、その１個のフォトダイオードに印加する電圧をモードに応じて切り替えることにより、ＳＰＡＤモード、蓄積モードを切り替えていた。

本実施形態では、単位画素１４０１の各々に２個のフォトダイオードを備え、それぞれのフォトダイオードを、ＳＰＡＤモードと蓄積モードでそれぞれ独立に用いる。

図１５（ａ）は、単位画素１４０１の構成を示す図である。単位画素１４０１は、ＳＰＡＤモード回路部１５０１、蓄積モード回路部１５０２、光電変換部１５０３、クロック切り替え部１５０７、イネーブル切り替え部１５０８、カウンタ１５１３、駆動制御部１５１４を備える。

ＳＰＡＤモード回路部１５０１は、クエンチ抵抗１５０４、スイッチ１５０５、反転バッファ１５０６、アバランシェフォトダイオード１５１５を備える。蓄積モード回路部１５０２は、リセットスイッチ１５０９、スイッチ１５１０、転送スイッチ１５１１、コンパレータ１５１２、フォトダイオード１５１６を備える。

図１５（ｂ）は、光電変換部１５０３の構造を示す図である。光電変換部１５０３は、図１５（ａ）に示した構成に加え、素子分離領域１５１７、Ｐウェル１５１８、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１５２６、スイッチ１５２２、スイッチ１５２３を備える。

アバランシェフォトダイオード１５１５は、Ｎドープ領域１５１９と、それを囲うように配置されたＰウェル１５２０と、一部Ｐウェル１５２０が配置されないスリット１５２１とを備えて構成される。フォトダイオード１５１６は、Ｎドープ領域１５２４と、Ｐドープ領域１５２５とを備える。

動作については、第２の実施形態と差異のある点についてのみ説明する。第２の実施形態では、同一のフォトダイオードに印加する電圧を切り替えることにより、ＳＰＡＤモードと蓄積モードを切り替えていたが、本実施形態では使用するフォトダイオード自体を切り替える。

ＳＰＡＤモードで動作する場合は、信号ＭＣＳがＬレベルとなり、逆バイアス電圧ＶＤＤSPADがアバランシェフォトダイオード１５１５のＮドープ領域１５１９に印加される。このとき、Ｌレベルの信号ＭＣＳによりスイッチ１５２３がＯＮになるため、Ｐウェル１５２０は素子分離領域１５１７と同電位に接続される。このためフォトンの入射により発生する電荷は、スリット１５２１を通りＮドープ領域１５１９に引き寄せられる。この時、Ｎドープ領域１５２４には電圧が印加されておらず、電荷が充填されていれば電位が下がり、電荷が引き寄せられなくなる。

一方、蓄積モードで動作する場合は、信号ＭＣＳがＨレベルとなり、Ｎドープ領域１５１９には逆バイアス電圧ＶＤＤSPADが印加されない。また、スイッチ１５２２がＯＮとなり、Ｐウェル１５２０には電圧Ｖｐが印加される。図１６に図１５のＡ－Ａ’間の電位を示す。

ＳＰＡＤモード動作時は、Ｐウェル１５２０が素子分離領域１５１７と同電位であり、Ｎドープ領域１５１９に逆バイアス電圧ＶＤＤSPADが印加されるため、Ａ－Ｂ間でＢからＡに向けて電位が上がる。一方、蓄積モード動作時では、Ｐウェル１５２０に電圧Ｖｐが印加されるため、スリット１５２１の領域Ｂ－Ｂ’間の電位が上昇する。

スリット１５２１の領域Ｂ－Ｂ’間がＢ’－Ａ’間の電位より高くなるように電圧Ｖｐを設定することにより、蓄積モード動作時に発生した電荷がアバランシェフォトダイオード１５１５のＮドープ領域１５１９に向かうことなく、フォトダイオード１５１６のＮドープ領域１５２４に引き寄せられる。

以上説明したように、光電変換部１５０３がアバランシェフォトダイオード１５１５とフォトダイオード１５１６の双方を備える構成において、ＳＰＡＤモードと蓄積モードを切り替えることが可能となる。

（他の実施形態）
また本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現できる。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現できる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００：デジタルカメラ、１０１：レンズ、１０５：撮像素子、１０８：制御部、２００：画素領域、２０１：単位画素、２０２：垂直制御回路、２０３：水平制御回路、２０４：タイミングジェネレータ、２０５，２０６：スイッチ、２０７：デジタル出力部

Claims (12)

1. 入射した光子を計数することにより画素信号を生成する第１の動作と、入射した光を電荷に変換して蓄積することにより画素信号を生成する第２の動作とを選択的に実行可能な複数の画素と、
   前記複数の画素のそれぞれに、前記第１の動作と前記第２の動作のいずれを実行させるかを切り替える切り替え手段と、
   を備え、
   前記複数の画素のうちのそれぞれの画素には、前記第１の動作を行う場合に動作する第１の回路と、前記第２の動作を行う場合に動作する第２の回路と、前記第１の回路または前記第２の回路の出力をカウントするカウンタとが配置されていることを特徴とする撮像装置。
2. 前記切り替え手段は、前記撮像装置が有する全ての画素を一括して、前記第１の動作を実行させる状態、または前記第２の動作を実行させる状態に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記切り替え手段は、前記複数の画素のそれぞれを別々に、前記第１の動作を実行させる状態、または前記第２の動作を実行させる状態に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記画素は、アバランシェ増倍現象を用いて生成したパルスを計数することにより前記入射した光子を計数し、前記第１の動作を実行することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記画素は、前記第１の動作と前記第２の動作を行うために、１つのフォトダイオードを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記画素は、前記第１の動作を行うためのフォトダイオードと、前記第２の動作を行うためのフォトダイオードとを別々に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記切り替え手段は、前記画素に入射する光量に応じて、前記第１の動作と前記第２の動作のいずれを実行させるかを切り替えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記切り替え手段は、前記画素に入射する光量が所定の閾値未満の場合に、該画素に前記第１の動作を実行させ、前記画素に入射する光量が前記所定の閾値以上の場合に、該画素に前記第２の動作を実行させることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記切り替え手段は、前記画素に入射する光量と前記所定の閾値との大小関係を、前記第１の動作で得られた信号に基づいて判定することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記切り替え手段が前記第１の動作で得られた信号に基づいて、前記画素に入射する光量と前記所定の閾値との大小関係を判定する場合、前記第２の動作を行う画素の画素信号を、前記大小関係の判定のための判定期間と前記第２の動作のための蓄積期間の比で補正することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
11. 前記切り替え手段が前記第１の動作で得られた信号に基づいて、前記画素に入射する光量と前記所定の閾値との大小関係を判定する場合、前記大小関係の判定のための判定期間を、前記第１の動作を行う画素の露光期間から除外することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
12. 前記切り替え手段は、前記画素に入射する光量と前記所定の閾値との大小関係を、前記第２の動作で得られた信号に基づいて判定することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。

Images